气升式发酵罐冷模实验装置的制作方法.docx

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专利名称:气升式发酵罐冷模实验装置的制作方法
技术领域:
本实用新型涉及的是一种生物发酵技术领域的设备,具体是一种气升式发酵罐冷模测试装置。
背景技术:
气升式发酵罐是通过供气管把空气压入罐体,利用气体的喷射动能和液体的密度差引起气液相的循环流动,其内部的混合、传热、传质过程极为复杂,并且与发酵罐的结构尺寸、操作条件和气液相物性等密切相关。在气液流动接触过程中,气含率、液相循环速度,体积氧传质系数以及湍流参数是影响发酵罐内相间传热、传质的关键参数,研究这些参数在发酵罐内的变化和分布情况对于发酵罐性能的预测和发酵罐的优化设计具有重要意义。由于溶解氧是制约生物发酵的瓶颈,准确的测量和估算体积氧传质系数对于发酵罐设计来说至关重要。目前,生物发酵中广泛采用动态通气法测量体积氧传质系数,该方法先用溶氧电极测量发酵液中溶解氧浓度的动态变化,然后通过计算求得体积氧传质系数,但在实际操作中大多数情况下只是通过测量发酵罐内某一点的溶氧值随时间的变化来估算发酵罐整体的体积氧传质系数,对于发酵罐内极为复杂的气液流动状况来说,单点测量并不能准确反映罐内气液传质的真实情况。此外,发酵罐内局部气液流动和传质行为的重要性逐渐受到普遍关注,这使得发酵罐内多点局部体积氧传质系数的测量成为必需。发酵罐内的液体循环速度的测量通常采用脉冲示踪法、热膜测速仪、激光多普勒测速仪等,脉冲示踪法容易受气泡的干扰,且示踪剂的注入会改变体系的物理特性;热膜测速仪虽准确性高,但机械强度很差,在被测体系液速较大或气含率较高时容易破坏,且测量时需保持被测体系恒温;激光多普勒测速仪只能用于透光体系,且价格昂贵,因此探索新型的液速测量方法,开发简
单实用的液速测量仪器意义重大。经过对现有技术的检索发现,何静、许文跃在《华中农业大学学报》02,183-186,2003)上撰文“内循环气升式反应器冷模特性的研究”,该文利用安装在反应器冷模底部的单支溶氧电极研究了冷模的溶氧性能,由于气升式反应器内各区域氧传质系数存在差异,仅对冷模底部的氧传质系数进行单点测量很难反应冷模内整体氧传递情况,具有较大的保守性。沈荣春等在《华东理工大学学报》(34,1-5,2008)上撰文“气升式环流反应器气液两相流动冷模实验”,该文利用粒子图像测速仪(PIV)测量了扁平气升式环流反应器内各个区域液相速度分布、流线分布。但是该技术算法复杂、价格昂贵、不适用与非透光体系,如何正确的选择示踪粒子也是应用该技术的一大难点。
实用新型内容本实用新型针对现有技术存在的上述不足,提供一种气升式发酵罐冷模测试装置,本实用新型适用于环隙气升式内循环式发酵罐的冷模实验,可实现发酵罐冷模内局部区域体积氧传质系数的多点测量,利用基于霍尔效应设计的液速检测仪,可以方便的测量罐内循环液速。本实用新型是通过以下技术方案实现的,本实用新型包括罐体、导流筒、溶氧电极、液速检测仪、喷嘴、罐架底座,其中罐体设
置于罐架底座上,导流筒与罐体同轴安装,喷嘴位于发酵罐的底部位置且固定在罐体和导流筒之间的间隙处,导流筒中自上而下装有三支溶氧电极和两支液速检测仪,导流筒与罐壁之间的环隙处装有六支溶氧电极和四支液速检测仪。所述的液速检测仪为霍尔效应液速检测仪,该液速检测仪的每个探头包括旋转叶轮及霍尔效应传感器,其中旋转叶轮安装于液速检测仪前端,霍尔效应传感器安装于叶轮右侧。所述的旋转叶轮的叶片上均装有磁片,当液体以一定速度经过叶轮时,叶片上的磁片随叶轮一起旋转形成变化的磁场,安装在叶轮附近的霍尔传感器检测磁场的变化并输出数字脉冲信号和磁场变化的方向信号,由于脉冲信号的脉冲个数正比于叶轮的转速,而叶轮的转速又与液体流速相关,从而实现液体速度的间接测量,通过方向信号则可以判断出液体速度的方向。所述的旋转叶轮外设有细孔钢丝网以避免气泡对液速检测仪的影响。所述的液速检测仪的量程和分辨率通过调整旋转叶轮的结构和叶片的个数来控制。本实用新型压缩空气通过喷嘴喷
射到罐体底部,产生的气泡带动液体沿环隙上升,到达导流筒顶部后,部分气体排入空气中而剩余气液混合物进入导流筒并在自身重力和导流筒管壁内外液体密度差的双重作用下向下运动,通过导流筒底部的间隙回流到罐体底部,从而形成往复的循环流动。本实用新型与目前广泛采用的液速检测装置相比,结构简单,成本低廉,检测精度高,受罐内气泡干扰小,尤其适合于较低液速的检测。本实用新型中的发酵罐冷模在不同位置安装了六个这样的液速检测仪,通过记录液速检测仪的信号,可了解冷模内不同局部区域的液体流动情况,综合上面获得的区域体积氧传质系数数据,便可对冷模内复杂的流动及传质行为进行深入细致的研究。
图1是本实用新型结构示意图。图2是液速检测仪探头的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例作详细说明,本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示,本实施例包括罐体1、导流筒2、溶氧电极3、液速检测仪4、喷嘴5以及罐架底座6,其中罐体1设置在罐架底座6上,导流筒2与罐体1同轴安装,喷嘴5位于发酵罐的底部位置且固定在罐体1和导流筒2
之间的间隙处,导流筒2中自上而下装有两支溶氧电极3和三支液速检测仪4,导流筒2与罐壁之间的环隙处装有六支溶氧电极3和四支液速检测仪4。本实施例所述的罐体1高1300mm,内径为286mm,壁厚8mm;所述的导流筒2高为820mm,直径为60_100mm;所述的喷嘴5包括若干喷口7,-。本实施例所述的液速检测仪4为霍尔效应液速检测仪4,如图2所示该液速检测仪4的每个探头包括旋转叶轮8及霍尔效应传感器9,其中旋转叶轮8通过转轴10固定在液速检测仪4的前端,霍尔效应传感器9安装于旋转叶轮8的右侧。本实施例所述旋转叶轮8的叶片上均装有磁片11。当液体以一定速度经过叶轮8时,叶片上的磁片11随叶轮8—起旋转形成变化的磁场,安装在叶轮8附近的霍尔传感器9检测磁场的变化并输出数字脉冲信号和磁场变化的方向信号,由于脉冲信号的脉冲个数正比于叶轮8的转速,而叶轮8的转速又与液体流速相关,从而实现液体速度的间接测量,通过方向信号则可以判断出液体速度的方向。本实施例所述液速检测仪4的输出信号经过信号处理模块12传送给PC机13。本实施例所述的液速检测仪4的量程和分辨率通过调整旋转叶轮8的结构和叶片的个数来控制。本实施例所述的溶氧电极3的输出端通过数据采集卡14与PC机13相连接,PC机13利用测得的溶氧浓度值估算体积氧传质系数kp的关系式如下
,其特征在于,包括罐体、导流筒、溶氧电极、液速检测仪、喷嘴、罐架底座,其中罐体设置于罐架底座上,导流筒与罐体同轴安装,喷嘴位于发酵罐的底部位置且固定在罐体和导流筒之间的间隙处,导流筒中自上而下装有三支溶氧电极和两支液速检测仪,导流筒与罐壁之间的环隙处装有六支溶氧电极和四支液速检测仪。
,其特征是,所述的液速检测仪为霍尔效应液速检测仪,其每个探头包括旋转叶轮及霍尔效应传感器,其中旋转叶轮通过转轴固定在液速检测仪的前端,霍尔效应传感器安装于旋转叶轮的右侧。
,其特征是,所述液速检测仪的输出信号经过信号处理模块传送给PC机。
,其特征是,所述旋转叶轮的叶片上均装有磁片。
,其特征是,所述的液速检测仪的量程和分辨率通过调整旋转叶轮的结构和叶片的个数来控制。
,其特征是,所述的溶氧电极的输出端通过数据采集卡与PC机相连接,
PC机利用测得的溶氧浓度值估算体积氧传质系数kLa的关系式如下
,其特征是,所述的罐体高1300mm,内径为286mm,壁厚8mm。
,其特征是,所述的导流筒高为820mm,直径为60_100mm。
,其特征是,所述的喷嘴包括若干喷口,-。
专利摘要一种生物发酵技术领域的气升式发酵罐冷模实验装置,包括罐体、导流筒、溶氧电极、液速检测仪、喷嘴、罐架底座,其中罐体设置于罐架底座上,导流筒与罐体同轴安装,喷嘴位于发酵罐的底部位置且固定在罐体和导流筒之间的间隙处,导流筒中自上而下装有三支溶氧电极和两支液速检测仪,导流筒与罐壁之间的环隙处装有六支溶氧电极和四支液速检测仪。本实用新型适用于环隙气升式内循环式发酵罐的冷模实验,可实现发酵罐冷模内局部区域体积氧传质系数的多点测量,利用基于霍尔效应设计的液速检测仪,可以方便的测量罐内循环液速。